CN105047625B - 电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的各实施方式总体上公开了一种电子系统。该电子系统包括：载体，包括至少一个波导馈电装置；半导体芯片，包括第一表面和第二表面以及集成的RF电路；以及冷却元件，包括短路面。半导体芯片被安装至载体，使得第一表面面对载体。集成的RF电路连接到至少一个波导馈电装置。冷却元件被安装至载体，使得短路面与至少一个波导馈电装置的一端相邻，并且冷却元件至少部分地覆盖半导体芯片，使得半导体芯片的第二表面面对冷却元件。
Description
技术领域
本公开内容总体上涉及一种电子系统，尤其涉及一种包括集成电路的电子系统。
背景技术
具有集成电路的电子系统可以包括载体，诸如例如PCB(印刷电路板)、被安装至PCB的集成电路、以及在PCB上并且连接至集成电路的波导。设计这些电子系统的一个挑战是冷却集成电路，也就是从集成电路散热。
发明内容
一个实施例涉及一种电子系统。该系统包括：具有至少一个第一波导的载体、具有第一表面和第二表面的半导体芯片、以及具有短路面(backshort)的冷却元件。半导体芯片被安装至载体，使得第一表面面对载体。被包括在半导体芯片中的集成电路连接到至少一个波导。冷却元件被安装至载体，使得短路面与至少一个第一波导的一端相邻，并且冷却元件至少部分地覆盖半导体芯片，使得半导体芯片的第二表面面对冷却元件。
附图说明
下面参考附图解释示例。附图用于说明某些原理，使得仅说明理解这些原理所必须的方面。附图没有按比例绘制。在附图中，相同的附图标记指代相似的特征。
图1示出包括载体、半导体芯片和冷却元件的电子系统的一个实施例的垂直横截面视图；
图2示出根据一个实施例的冷却元件的顶视图；
图3示出根据一个实施例的冷却元件的底视图；
图4示出载体上的波导馈电装置的一个实施例；
图5示出在半导体本体与冷却元件之间包括可压缩层的电子系统的一个实施例的垂直横截面视图；
图6示出另外包括管状(中空)波导的电子系统的一个实施例的垂直横截面视图；
图7图示一种向载体安装冷却元件和波导的方式；
图8示出包括螺孔的冷却元件的一个实施例的顶视图；以及
图9示出根据另一实施例的电子系统的垂直横截面视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考附图。附图形成说明书的一部分并且通过图示的方式示出可以在其中实践本发明的具体实施例。应当理解，除非另外清楚地指出，否则可以将本文中所描述的各种实施例的特征相互组合。
图1示出根据一个实施例的电子系统的垂直横截面视图。电子系统包括：具有至少一个波导馈电装置(waveguide feeding)11的载体1、以及具有集成在其中的集成电路的半导体芯片2。集成电路是例如能够处理射频(RF)信号的电路。在这一情境中，RF信号表示从在几千兆赫兹(GHz)与几太赫兹(THz)之间的频率范围中选择的信号。半导体芯片包括第一表面21和第二表面22。电子系统还包括冷却元件3，冷却元件3包括短路面31。短路面31向导波提供短路。参考图1，半导体芯片2被安装至载体1，使得半导体芯片2的第一表面21面对载体1。半导体芯片2中的集成电路连接到至少一个波导馈电装置11。另外，冷却元件3被安装至载体1，使得短路面31与至少一个波导馈电装置的一端相邻。冷却元件3至少部分地覆盖半导体芯片2，使得半导体芯片2的第二表面22面对冷却元件3。虽然附图仅示出一个半导体芯片2，但是系统还可以包括两个或更多个半导体芯片。
在图1所示的实施例中，电子系统还包括容纳半导体芯片2的芯片封装4。芯片封装4包括接线布置(图1中未示出)，接线布置包括在芯片封装4的面对载体1的表面41处可及的接触焊盘(图1中未示出)。接触焊盘经由芯片封装4中的连接线连接至半导体芯片2中的集成电路。将半导体芯片中的电子电路连接至芯片封装的接触焊盘是一种常用技术，使得在这点上不需要进一步的解释。
载体1是平面载体，图1中仅图示其一个截面。根据一个实施例，载体1是印刷电路板(PCB)。然而，也可以使用适合于容纳电子部件的其它类型的载体。
参考图1，电子系统还可以包括具有多个导电球51的球栅阵列(ball grid array)5，其中这些球51中的每个球连接在芯片封装4的接触焊盘与载体1的对应接触焊盘12之间。波导馈电装置11可以经由这些导电球51中的至少一个导电球连接至半导体芯片2。也就是说，波导11可以连接到至少一个球51，该至少一个球51可以连接至芯片封装4的至少一个接触焊盘，并且该至少一个接触焊盘经由芯片封装4的接线布置电连接至被集成在半导体芯片2中的电路。图1中用虚线示意性地图示了这一接线布置的一个连接线。
在图1所示的实施例中，芯片封装4的一部分被布置在半导体芯片2与载体1之间，同时芯片封装4在相对侧可以是打开的，使得半导体芯片2暴露在芯片封装4的远离载体1的一侧。冷却元件3可以直接接触芯片2。根据另一实施例，在半导体芯片2与冷却元件3之间布置有电绝缘但热传导的层(未示出)。
根据一个实施例，集成电路在第一表面21的区域中被集成在半导体芯片2中，该区域也可以被称为半导体芯片2的正面。这一集成电路可以包括分别通过芯片封装4中的接线布置和球栅阵列5连接至载体1上的接触焊盘12的若干输入、输出和供电端子。接触焊盘12连接至载体1上的连接线(未图示)，这些连接线使得集成电路能够连接至其它电路、电源等。在第二表面22的区域中，没有集成电子器件，使得第二表面可以直接接触冷却元件3。
半导体芯片2的射频(RF)输入或输出以之前解释的方式(也就是经由芯片封装4中的接线布置和球栅阵列)连接至波导馈电装置11。通过波导馈电装置11，半导体芯片2可以传输RF信号或者接收RF信号。在这一情境中，RF信号表示从在几千兆赫兹(GHz)与几太赫兹(THz)之间的频率范围中选择的信号。RF信号是例如微波信号或者毫米波信号，诸如例如频率为几十GHz的雷达信号，诸如例如77GHz雷达信号。
可以将通过RF电路发送或者接收的RF信号引导通过载体1的通孔13。通孔13位于靠近波导馈电装置11的分别远离半导体芯片2和球栅阵列5的那端。
参考图1，冷却元件3具有两个功能。首先，冷却元件3向由波导馈电装置11通过通孔13传输或者接收的RF信号提供短路面。在这一实施例中，短路面31是冷却元件3的与波导馈电装置11的端部相邻并且在通孔13上方的腔体。这一腔体的深度被适配成RF信号的波长。根据一个实施例，腔体31的深度d为大约λ/4(lambda/4)，其中λ表示RF信号的波长。例如，如果波导馈电装置11传输RF信号，则这一RF信号的一部分通过通孔13被直接传输，而另一部分在腔体31中被反射。如果腔体31的深度d为λ/4，则被反射的部分被添加到通过通孔13被传输的部分，以便将传输损失保持为低。这一腔体31的深度d如图1中被放大的细节C中所图示的那样从波导馈电装置11的上表面来测量，或者从被安装至载体1的冷却元件3的表面来测量。
其次，冷却元件3用于通过从半导体芯片2散热来冷却半导体芯片2。至少部分地覆盖半导体芯片2的冷却元件3可以向冷却元件3被安装至其的载体1和/或向环境大气散热。根据一个实施例，在冷却元件3接触载体1的那些区域中，载体1镀有导热材料14。这一层14的示例包括一个或多个导热层，诸如例如一个或多个金属层。这些层的示例包括镀镍层、镀金层等。该层14甚至可以包括若干层，诸如例如在载体1上的镀镍层以及在镀镍层上的镀金层。备选地，该层14可以包括碳基材料，诸如例如石墨烯或者碳纳米管。该层14有助于在冷却元件3与载体1之间提供低热阻。载体1可以被安装至用于从载体1散热的另外的冷却元件(未示出)。
冷却元件3可以包括导热材料或者主要由导热材料组成。导热材料可以包括金属材料。金属材料是例如金属(诸如例如铝或者铜)、金属化合物(诸如)或者金属合金。冷却元件3不一定包括导电材料。然而，在冷却元件包括非导电(电绝缘)材料的情况下，其可以包括在形成短路面的腔体31中的导电镀层。
参考图1，冷却元件3包括用于容纳半导体芯片2(特别是具有半导体芯片2的芯片封装4)和球栅阵列5的另外的腔体32。这一腔体32的深度被适配成球栅阵列5和芯片封装4的高度，使得冷却元件3可以与半导体芯片2热接触。
参考图1，冷却元件3可以包括在波导馈电装置11上方的另外的腔体33。这一另外的腔体33防止冷却元件3与波导馈电装置11电接触。
图2示出根据一个实施例的冷却元件3的顶视图。图2中用虚线图示在冷却元件3下方的芯片封装4和半导体芯片2的位置。图2所示的冷却元件3包括两个基本上圆形的部分311、312以及在两个圆形部分311、312之间的桥接部分32。在这一实施例中，芯片封装4基本上位于桥接部分32下方。另外，冷却元件3(特别是桥接部分32)完全覆盖具有半导体芯片2的芯片封装4。然而，这仅是示例。根据另一实施例(未示出)，冷却元件3仅部分地覆盖(交叠)具有半导体芯片2的芯片封装4。
图3示出具有形成短路面的第一腔体31、容纳芯片封装4的第二腔体32以及容纳波导馈电装置11的第三腔体33的冷却元件3的底视图。另外，在图3中，示出芯片封装4的底视图。图3中用虚线图示在芯片封装4内部的半导体芯片2的位置。
参考图3，芯片封装4包括在当冷却元件3被安装至载体时面对载体的表面41处的多个接触焊盘41(参见图1)。这些接触焊盘41可以电连接至球栅阵列(参见图1中的5)的球。
在图3所示的实施例中，用于容纳芯片封装4的第二腔体32沿着桥接部分32的整个宽度延伸。桥接部分32的“宽度”为桥接部分32在与圆形部分311、312远离的方向垂直的方向上的尺度。然而，使第二腔体32沿着桥接部分32的整个宽度延伸仅是示例。根据另一实施例(未示出)，腔体32远离桥接部分32的边缘。
冷却元件3可以仅包括一种材料，诸如例如以上描述的材料之一。可以使用常规操作技术(诸如例如铣削、磨削、钻削等)来形成腔体31、32、33。
应当注意，实施具有两个圆形部分311、312以及桥接部分32的冷却元件3仅是示例。冷却元件3可以被实施以适合于从半导体芯片2散热并且也适合于用作短路面的任何其它几何形状。
图4在波导馈电装置11位于其中的部分中示出载体1的顶视图。在这一实施例中，波导馈电装置11包括两条基本上平行的线(带)111、112，其中这些带中的每条带连接至一个接触焊盘121、122。这些接触焊盘121、122经由球栅阵列(图1中的5)和芯片封装(图1中的4)中的接线布置连接至集成电路。然而，图4中没有图示球栅阵列和芯片封装。图4还示出位于与波导馈电装置11的端部相邻的通孔13。在图4所示的实施例中，通孔13具有基本上矩形的横截面。然而，这仅是示例。也可以使用其它类型的横截面，诸如例如圆形横截面。两条带线111、112之间的相互距离朝着波导馈电装置11的端部增加，这使得能够从波导馈电装置11通过通孔13传输RF信号。
图5示出根据另一实施例的电子系统的垂直横截面视图。在这一实施例中，电子系统包括在半导体芯片2与冷却元件3之间的导热且可压缩的层6。这一柔性层6在冷却元件3被安装至载体1时保护半导体芯片2不被机械损坏。层6可以包括陶瓷基导热材料、硅树脂基材料、所谓的热焊盘、热胶等。柔性层6可以直接接触第二表面22上的半导体芯片2(如图5所示)。根据另一实施例(未示出)，在半导体芯片2的第二表面22与柔性层6之间存在电绝缘层。
图6示出根据又一实施例的电子系统的垂直横截面视图。在这一实施例中，电子系统还包括管状(中空)波导7。这一波导7包括被安装至载体1的凸缘71和管状部分72。波导7在与冷却元件3相对的一侧被安装至载体1，使得载体1中的通孔13向外打开到第二波导7的管状部分72中，使得通过通孔13行进的RF信号还可以在波导7中行进。波导可以包括常规的波导横截面，诸如例如矩形或者圆形横截面。
可以使用常规的紧固技术(诸如例如螺丝接合(screwing)、胶合或者焊接)来将波导安装至载体1。图7示出其中波导通过螺丝接合被安装至载体1的电子系统的垂直横截面视图。图7所示的电子系统基于图6所示的系统，并且因此包括在芯片2与冷却元件3之间的柔性层6。然而，这一层6可以被省略。
参考图7，波导7通过螺丝接合被安装至载体1。在这一实施例中，螺丝81穿过冷却元件3和载体1进入到波导7的凸缘71中。波导7的凸缘71包括具有内螺纹的螺孔，使得螺丝81可以被螺丝接合至凸缘71中。图7所示的横截面仅示出用于将波导7安装至载体1的一个螺丝81。然而，电子系统可以包括用于将波导安装至载体1的附加螺丝，这些附加螺丝在图7所示的横截面中看不到。
如同波导7，可以使用常规的紧固(安装)技术(诸如例如螺丝接合、胶合或者焊接)来将冷却元件安装至载体1。图7示出其中冷却元件通过螺丝接合被安装至载体1的实施例。在图7中，仅示出用于将冷却元件3螺丝接合至载体1的一个螺丝82。这一螺丝82通过冷却元件3延伸到载体1中。载体1可以包括具有内螺纹的螺孔，可以将螺丝82螺丝接合到螺孔中。电子系统可以包括与螺丝82对应的、用于将冷却元件3安装至载体1的另外的螺丝。然而，这些另外的螺丝在图7中未示出(看不到)。
图8示出如图7所示的电子系统中的冷却元件3的一个实施例的顶视图。在图8中，附图标记34表示冷却元件3中的第一螺孔，第一螺孔可以用于将波导7螺丝接合至载体1。也就是说，这些第一螺孔34容纳与图7所示的螺丝81对应的螺丝。附图标记35表示可以用于将冷却元件3螺丝接合至载体的第二螺孔。也就是说，这些第二螺孔35容纳与图7所示的螺丝82对应的螺丝。如从图8可知，可以存在若干用于将波导螺丝接合至载体1的第一螺孔34以及若干用于将冷却元件3螺丝接合至载体的第二螺孔35。
图9示出根据另一实施例的电子系统的垂直横截面视图。在这一实施例中，电子系统包括两个波导馈电装置11A、11B以及在这些波导馈电装置11A、11B的端部处的两个通孔13A、13B。根据一个实施例，这些波导馈电装置11A、11B中的一个波导馈电装置用于接收被转发至芯片中的RF电路的RF信号，而另一波导馈电装置可以用于传输从芯片2中的RF电路接收到的RF信号。上文参考波导馈电装置11已经解释的任何内容相应地适用于波导馈电装置11A、11B中的每个波导馈电装置。特别地，冷却元件3包括在两个波导馈电装置11A、11B中的每个波导馈电装置的端部处用作短路面的腔体31A、31B。另外，冷却元件3包括与两个波导馈电装置11A、11B中的每个波导馈电装置相邻的第二腔体33A、33B。图9的电子系统中未示出可压缩缓冲层(参见图5至图7中的6)。然而，可以如参考上文所解释的实施例所解释的那样来使用这样的缓冲层。另外，波导可以以参考图7所解释的方式在两个通孔13A、13B中的每个通孔下方被安装至载体1。这些波导(图9中未示出)和冷却元件3可以以参考图7所解释的方式被安装至载体1。
虽然已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变和修改，这些改变和修改将实现本发明的优点中的一些优点。对于本领域技术人员将明显的是，可以合适地代替执行相同功能的其它部件。应当提及的是，可以将参考特定附图解释的特征与其它附图的特征进行组合，即使在其中这没有被明确地提及的那些情况下。另外，可以以使用适当的处理器指令的全软件实施方式或者以利用硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现相同结果的混合实施方式来实现本发明的方法。对本发明概念的这样的修改意在被所附权利要求覆盖。
诸如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等空间上相对的术语用于方便描述以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与附图中所描绘的方位不同的方位，这些术语还意在包括设备的不同方位。另外，诸如“第一”、“第二”等术语也用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不意在是限制性的。相似的术语贯穿说明书指代相似的元件。
如本文所使用的，术语“具有(having)”、“包含(containing)”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等是端口开放术语，其指示所提及的元件或者特征的存在，但是不排除附加元件或特征。冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意在包括单数以及复数，除非上下文另外清楚地指明。
考虑到以上范围的变化和应用，应当理解，本发明不受以上描述的限制，也不受附图的限制。相反，本发明仅受以下权利要求及其法律等同物的限制。
Claims (18)
1.一种电子系统，包括：
载体，包括波导馈电装置；
半导体芯片，包括第一表面、第二表面和集成电路，其中所述半导体芯片被安装至所述载体，使得所述第一表面面对所述载体并且使得所述集成电路被连接至所述波导馈电装置，
冷却元件，被配置为从所述半导体芯片散热，所述冷却元件包括形成短路面的第一腔体和容纳所述半导体芯片的第二腔体，其中所述冷却元件被安装至所述载体，使得所述短路面与所述波导馈电装置的一端相邻，所述冷却元件的表面与所述载体接触，并且所述冷却元件至少部分地覆盖所述半导体芯片，使得所述半导体芯片的所述第二表面面对所述冷却元件。
2.根据权利要求1所述的电子系统，进一步包括芯片封装，其中所述半导体芯片被布置在所述芯片封装中。
3.根据权利要求1所述的电子系统，进一步包括导热的缓冲层，其被设置在所述半导体芯片的所述第二表面与所述冷却元件之间。
4.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述载体是印刷电路板。
5.根据权利要求3所述的电子系统，其中所述缓冲层与所述半导体芯片和所述冷却元件邻接。
6.根据权利要求2所述的电子系统，其中所述半导体芯片暴露在所述芯片封装的远离所述载体的一侧。
7.根据权利要求3所述的电子系统，其中所述缓冲层包括可压缩材料。
8.根据权利要求3所述的电子系统，其中所述缓冲层包括陶瓷基材料和硅树脂基材料中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述冷却元件包括金属材料。
10.根据权利要求9所述的电子系统，其中所述金属材料包括铝和铜中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述冷却元件的大部分包括电绝缘材料，并且其中所述第一腔体镀有导电材料。
12.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述冷却元件通过胶合和焊接中的至少一种被安装至所述载体。
13.根据权利要求1所述的电子系统，还包括球栅阵列，将所述集成电路电连接至所述载体上的接触焊盘。
14.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述载体包括与所述波导馈电装置的所述一端相邻的通孔，并且其中所述电子系统还包括在与所述波导馈电装置相对的一侧被安装至所述载体的波导。
15.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述波导馈电装置包括两条基本上平行的带。
16.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述波导包括中空管。
17.根据权利要求16所述的电子系统，其中所述波导包括凸缘，并且其中所述波导通过从所述冷却元件通过所述载体延伸到所述凸缘中的螺丝被安装至所述载体。
18.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述集成电路能够处理微波信号或者毫米波信号。
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